Е.А. Сметанин1, А.Р. Вечканов2, А.В. Губанов3, С.В. Агасиева4

1–4 Российский университет дружбы народов (Москва, Россия)

Постановка проблемы. Одной из наиболее важных проблем медицины является необходимость быстрой и ранней диагностики заболеваний у людей. Постановка верного диагноза, раннее обнаружение болезней играют решающую роль в последующем лечении. Поэтому разработка современных устройств ранней и быстрой диагностики, к которым относятся биосенсоры, является актуальной задачей. Нитрид галлия (GaN) является хорошо зарекомендованным материалом в различных областях электроники. Кроме того, его свойства, такие как высокая мобильность носителей заряда, нетоксичность, термическая стойкость, низкое энергопотребление, делают его перспективным материалом для изготовления биосенсорных устройств.  Цель работы – анализ актуальных и современных конструкций биосенсоров, выполненных на основе нитрида галлия, и принципы их работы, рассмотрение их возможностей применения для диагностики заболеваний (различные типы рака, заболевания сердца и др.), а также характеристик представленных биосенсоров. 

Результаты. Рассмотрены современные конструкции биосенсоров на основе нитрида галлия для диагностики заболеваний, представлены их характеристики. Приведены сведения о веществах (стрептавидин, уриказа, хемокин и т.д.), являющихся маркерами различных заболеваний, для обнаружения биосенсорными устройствами. Представлены преимущества биосенсоров на основе AlGaN/GaN, такие как более высокая химическая стабильность, более низкое энергопотребление и лучшая точность результатов диагностики по сравнению с биосенсорами на основе других материалов. 

Практическая значимость. Предложенные биосенсоры представляют интерес в качестве приборов экспресс-диагностики различных заболеваний у людей. Использование многопараметрических биосенсоров в медицине даст возможность обнаруживать заболевания на более раннем этапе.

Сметанин Е.А., Вечканов А.Р., Губанов А.В., Агасиева С.В. Исследование тенденций развития биосенсоров на основе гетероструктур AlGaN/GaN // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2021. T. 13. № 2. С. 16−26. DOI: https://doi.org/10.18127/j22250980-202102-02

1. Oussama Z., Moussaab B., Amaria O. The Role of Nitride Materials for Biological Applications (Biosensors). Scholars Academic Journal of Biosciences. 2018. № 6. Р. 151–157. 
2. Kavita T., Manju K. Sensor applications based on AlGaN/GaN heterostructures. Materials Science and Engineering. 2020. № 263.143–152. 
3. Bozack M., Alur S., Gnanaprakasa T. J., Wang Y., Dai J., Hong J., Simonian A., Park M., Sharma Y. Biofunctionalized AlGaN/GaN high electron mobility transistor for DNA hybridization detection. Applied Physics Letters. 2012. № 23. Р. 100–104. 
4. Bertani P., Lu W. Hybrid Organic–Nitride Semiconductor Nanostructures for Biosensor Applications. Functional Organic and Hybrid Nanostructured Materials: Fabrication, Properties, and Applications. 2018. № 13. Р. 485–518.
5. Kokawa T., Sato T., Hasegawa H., Hashizume T. Liquid-phase sensors using open-gate AlGaN∕GaN high electron mobility transistor structure. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 2006. № 26. P. 1972–1976.
6. Choi M.K., Kim G.S., Jeong J.T. Functionalized vertical GaN micro pillar arrays with high signal-to-background ratio for detection and analysis of proteins secreted from breast tumor cells. Scientific Reports. 2017. № 7. Р. 1–12.
7. Peesa R.B., Kumar P.M., Panda D.K. Simulation of GaN MOS-HEMT based bio-sensor for breast cancer detection. ComputerAided Developments: Electronics and Communication. 2019. № 1. P. 257–263. 
8. Tai T., Sinha A., Sarangadharan I., Pulikkathodi A.K., Wang S. Design and Demonstration of Tunable Amplified Sensitivity of AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistor (HEMT)-Based Biosensors in Human Serum. Analytical Chemistry. 2019. № 91. Р. 5953–5960. 
9. Lee H., Bae M., Jo S., Shin J., Son D. H., Won C. AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistor-Based Biosensor for the Detection of C-Reactive Protein. Sensors. 2015. № 8. Р. 416–426.
10. Pulikkathodi A.K., Sarangadharan I. Chen Y.H., Lee G.B., Wang Y. Aptamer Functionalized AlGaN/GaN HEMT Biosensor Array for Electrical Enumeration of Circulating Tumor Cells. ECS Transactions. 2017. № 7. Р. 17–20. 
11. Tai T., Sinha A., Sarangadharan I., Pulikkathodi A. K, Wang S., Shiesh S., Lee G., Wang Y. Aptamer-functionalized AlGaN/GaN High-electron-mobility Transistor for Rapid Diagnosis of Fibrinogen in Human Plasma. Sensors and Materials. 2018. № 10.  Р. 321–333.
12. Woo K., Kang W., Lee K., Lee P., Kim Y., Yoon T.S., Cho C.Y., Park K.H., Ha M.W., Lee H.H. Enhancement of cortisol measurement sensitivity by laser illumination for AlGaN/GaN transistor biosensor. Biosensors and Bioelectronics. 2020. № 159. P. 112–118.
13. Shaveta H.M., Maali A., Rishu C. Rapid detection of biomolecules in a dielectric modulated GaN MOSHEMT. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2020. № 31. P. 609–615.
14. Praveen P., Yogesh P., Mridula G., Sneha K. Modeling and Simulation of AlGaN/GaN MOS-HEMT for Biosensor Applications. Sensors Journal. 2019. № 19. Р. 587–593.
15. Hasina F.H., Trevino H., Castillo J. Characteristics of AlGaN/GaN HEMTs for Detection of MIG. Journal of Modern Physics. 2016. № 13. Р. 712–724.
16. Gu Z., Wang J., Mia B., Zhao L., Liu X., Wu D., Li J. Highly sensitive AlGaN/GaN HEMT biosensors using an ethanolamine modification strategy for bioassay applications. RSC Advances. 2019. № 9. Р. 341–349.
17. Xue D., Zhang H., Liang H., Liu J., Xia X. Influence of the ratio of gate length to source-drain distance on the sensitivity of the AlGaN/GaN HEMT based chemical sensors and biosensors. Proceedings of the SPIE. 2019. № 11. Р. 384–389.
18. Sharma N., Joshi D., Chaturvedi N. An impact of bias and structure dependent LSD. Journal of Computational Electronics. 2014. № 13. Р. 503–508.
19. Zhang H., Yang S., Sheng K. The Safe Operating Area of AlGaN/GaN-Based Sensor. Sensors Journal. 2021. № 21. Р. 241–247. 
20. Lee С., Chiu Y. Gate-Recessed AlGaN/GaN ISFET Urea Biosensor Fabricated by Photoelectrochemical Method. Sensors Journal. 2016. № 16. Р. 518–523.
21. Zhang H., Tu J., Yang S., Sheng K., Wang P. Optimization of gate geometry towards high-sensitivity AlGaN/GaN pH sensor. Talanta. 2019. № 205. Р. 120–134. 
22. Cimalla I., Will F., Tonisch K., Niebelschütz M., Cimalla V., Lebedev V., Kittler G., Himmerlich M., Krischok S., Schaefer J. A., Gebinoga M., Schober A., Friedrich T., Ambacher O. AlGaN/GaN biosensor—effect of device processing steps on the surface properties and biocompatibility. Sensors and Actuators B: Chemical. 2007. № 123. P. 740–748.
23. Agasieva S.V., Gudkov A.G., Ivanov Y.A., Meshkov S.A., Petrov V.I., Sinyakin V.Y., Schukin S.I. Prospects for application of radiofrequency identification technology with passive tags in invasive biosensor systems. Biomedical Engineering. 2015. V. 49. № 2.  98–101. DOI: 10.1007/s10527-015-9506-x
24. Agasieva S., Aleksandr G., Shashurin V., Vyuginov V., Tikhomirov V.G., Vidyakin S., Chizhikov S. Dependence analysis of the GaN HEMT parameters for space application on the thickness AlGaN barrier layer by numerical simulation. 2nd International Conference on Opto-Electronic Information Processing, ICOIP 2017. Article № 8030703. P. 79–82. DOI: 10.1109/OPTIP.2017.8030703
25. Agasieva, S.V., Tikhomirov V.G., Gudkov A., Petrov V., Zybin A., Yankevich V., Evseenkov A. Simulation of electric field distribution in GaN HEMTs for the onset of structure degradation. Proceedings of the 2017 11th International Workshop on the Electromagnetic Compatibility of Integrated Circuits. EMCCompo 2017. 2017. Article № 7998094. P. 115–118. DOI: 10.1109/EMCCompo.2017.7998094
26. Gudkov A.G., Agasieva S.V., Tikhomirov V.G., Zherdeva V.V., Klinov D.V., Shashurin V.D. Perspectives in the Development of Biosensors Based on AlGaN/GaN HEMT. Biomedical Engineering. 2019. V. 53. Iss. 3. P. 196–200. DOI: 10.1007/s10527-01909908-x
27. Tikhomirov V.G., Gudkov A.G., Agasieva S.V., Popov M.K., Chizhikov S.V. Research of low noise pHEMT transistors in equipment for microwave radiometry using numerical simulation. Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1695 (1). P. 012150.
28. Гудков А.Г., Тихомиров В.Г., Агасиева С.В., Вьюгинов В.Н., Жердева В.В., Зыбин А.А., Рыбаков Ю.Л., Гукасов В.М. Изучение выходных характеристик гетероструктурных транзисторов для биосенсоров методом математического моделирования // Медицинская физика. 2017. №5. С. 82–86.
29. Иванов Ю.А., Гудков А.Г., Мешков С.А., Шашурин В.Д., Клевцов В.А., Агасиева С.В., Синякин В.Ю. Применение резонансно-туннельных нанодиодов для повышения эффективности преобразователя электромагнитной энергии инвазивных биосенсорных систем на базе технологии радиочастотной идентификации // Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. Т. 19. № 4. С. 60–65.